Motores Diésel: Principios, Componentes y Ciclos Termodinámicos Esenciales

Principios de Funcionamiento del Motor Diésel

Un motor diésel funciona mediante la ignición del combustible al ser inyectado en una cámara de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la de autocombustión.

Ventajas y Desventajas del Motor Diésel

La principal ventaja de los motores diésel, comparados con los motores de gasolina, es su bajo consumo de combustible. La desventaja de estos motores es principalmente su precio inicial y los costos de mantenimiento asociados.

• Ventaja principal: Bajo consumo de combustible.
• Desventajas principales: Mayor precio inicial y costos de mantenimiento.

Aplicaciones de los Motores Diésel

Los motores diésel son ampliamente utilizados en diversas industrias y vehículos, incluyendo:

• Maquinaria agrícola
• Propulsión ferroviaria
• Propulsión marina
• Automóviles y camiones
• Vehículos de propulsión a oruga
• Propulsión aérea (en ciertos contextos)
• Accionamiento industrial

Características Clave de un Motor Diésel

Una diferencia significativa entre un motor diésel y un motor de gasolina reside en el proceso de inyección. Un motor diésel siempre inyecta su combustible directamente en el cilindro durante la fase de compresión. Esta técnica de inyección directa mejora significativamente la eficiencia del motor diésel.

Además, el combustible diésel posee una densidad de energía más alta que la gasolina. En promedio, un galón de combustible diésel tiene aproximadamente 147 x 10⁶ Joules, mientras que un galón de gasolina contiene 125 x 10⁶ Joules. Esto explica por qué los motores diésel suelen ofrecer un mejor kilometraje o rendimiento de combustible que sus equivalentes de gasolina.

Componentes Principales de un Motor Diésel

Los elementos fundamentales que componen un motor diésel incluyen:

• Bloque del motor
• Culata
• Cigüeñal
• Volante de inercia
• Pistón
• Árboles de levas
• Conductos (de admisión y escape)
• Inyectores
• Válvulas
• Toberas
• Bomba de inyección
• Bomba de transferencia

Es importante notar que en el ciclo diésel nunca se deben confundir los cuatro tiempos del motor con el ciclo termodinámico que lo idealiza, el cual solo se refiere a dos de los tiempos.

También podríamos decir que para el ciclo diésel se tienen en cuenta algunas variables diferentes. Entre ellas, el motor funciona por compresión y el fluido operante al inicio es solo aire.

Los cuatro tiempos del proceso son:

1. Admisión
2. Compresión
3. Combustión (o Expansión)
4. Escape

Ciclos Termodinámicos: Ericsson y Stirling

Se ha demostrado que el efecto combinado de enfriamiento, recalentamiento y regeneración resulta en un aumento de la eficiencia térmica de un ciclo de potencia de turbina de gas. Es interesante examinar qué pasa cuando el número de etapas tanto de enfriamiento como de recalentamiento se hace infinitamente grande. En tal situación, los procesos isoentrópicos de compresión y expansión pasan a ser isotérmicos. El ciclo puede representarse mediante dos etapas a temperaturas constantes y dos procesos a presión constante con regeneración.

A un proceso así se le llama ciclo de Ericsson.

En este ciclo, el fluido se expande isotérmicamente del estado 1 al estado 2 a través de una turbina; se produce trabajo y el calor se absorbe reversiblemente desde un depósito a temperatura alta. Luego, el fluido se enfría a presión constante en un regenerador (del estado 3 al 4). El fluido se comprime isotérmicamente; esto requiere una entrada de trabajo y una expulsión reversible de calor hacia un depósito de temperatura baja. Por último, el fluido se calienta a presión constante hasta el estado inicial.

Ciclo de Stirling

El ciclo de Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot. En este ciclo, el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones isócoras (a volumen constante).

Ciclo de Ericsson

En este ciclo, el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos isóbaras (a presión constante).

Eficiencia de los Ciclos de Stirling y Ericsson

Los ciclos de Stirling y Ericsson son totalmente reversibles, al igual que el ciclo de Carnot. Por lo tanto, de acuerdo con el principio de Carnot, los tres ciclos tendrán la misma eficiencia térmica cuando operen entre los mismos límites de temperatura.

Ciclo de Brayton

Se conoce también como ciclo Joule o ciclo Froude. Es un ciclo termodinámico que consiste en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Debido a que los gases que se expanden están más calientes, el trabajo que se puede obtener del proceso es mayor que el de compresión. El trabajo neto del ciclo es la diferencia entre los dos.